W badaniach promieniotwórczości naturalnej środowiska spektrometria ma-sowa może stanowić uzupełniającą technikę badawczą. Głównie stoma-sowana jest do pomiarów abundancji izotopów stabilnych, a nie aktywności izotopów pro-mieniotwórczych. Jej podstawę stanowi pomiar stosunku masy molowej do ła-dunku elektrycznego jonów analizowanej substancji. Dzięki wysokiej czułości i niskiej granicy wykrywalności spektometria mas znajduje zastosowanie w bar-dzo wielu dziedzinach wykorzystujących ilościową i jakościową analizę che-miczną, np. w naukach medycznych i biomedycznych, chemii, fizyce. W ciągu ostatniego dwudziestolecia zaprezentowano niezwykle szybki postęp w rozwoju tej techniki, doprowadzający do powstania wielu instrumentów nowego typu.
Początki spektrometrii masowej sięgają 1898 r., w którym to W. Wien doko-nał odchylenia jonów dodatnich w polu magnetycznym. W 1913 r. J.J. Thomson (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki z 1906 r.) odkrył izotopy dzięki rozdzie-leniu mas izotopów neonu 20Ne i 22Ne. F.W. Aston udoskonalił technikę J.J. Thomsona i doprowadził do zbudowania pierwszego instrumentu, nazywa-nego dzisiaj spektrografem mas. Posługując się tym przyrządem, zmierzył masy 212 trwałych izotopów z precyzją 1/10 000. W 1922 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Pierwsze spektrometry masowe pojawiły się na rynku w latach 40. ubiegłego wieku i od tego czasu nastąpił rozwój metod wytwarza-nia, rozdzielania i detekcji jonów, a także akwizycji otrzymywanych danych.
Obecnie istnieje wiele typów spektrometrów mas o zróżnicowanej konstrukcji i rozmaitym zastosowaniu. Wszystkie rodzaje spektrometrów opierają się na jo-nizacji cząsteczek lub atomów, separacji na podstawie stosunku masy do ładun-ku, a następnie detekcji liczby jonów w postaci widma masowego. Współczesny spektrometr mas składa się z następujących elementów (rys. 18):
1) systemu wprowadzenia próby,
2) systemu wytwarzania jonów analizowanej próbki (źródło jonów),
3) systemu rozdzielania utworzonych jonów w zależności od ich mas (anali-zator),
6*
4) systemu wykrywania jonów opuszczających analizator oraz przypisywa-nia im masy (dokładnie m/z) i intensywności (detektor),
5) systemu rejestrowania i przetwarzania danych w postaci cyfrowej.
Różnice pomiędzy dostępnymi na rynku spektrometrami polegają na zasto-sowaniu różnorodnych technik jonizacji cząstek badanej próby (źródło jonów) oraz innych typów analizatorów masy. Od kombinacji tych dwóch technik uza-leżnione jest zastosowanie danego typu spektrometru. W źródle jonów analizo-wana substancja zostaje przeprowadzona w zjonizowany gaz pod niskim ciśnie-niem.
Niektóre techniki jonizacji prowadzą do fragmentacji cząsteczek chemicz-nych w trakcie jonizacji, co jest korzystne w przypadku badania jednego związku chemicznego. Do badań mieszanin wielu związków lepsza jest tzw.
łagodna jonizacja, niepowodująca fragmentacji cząstek. Do metod z łagodną jo-nizacją należą: elektrorozpylanie (ang. Electrospray — ESI), jonizacja chemicz-na (ang. Chemical Ionization — CI) lub desorpcja laserowa z udziałem matrycy (ang. Matrix Assisted Laser Desorption Ionization — MALDI). W technice ESI ciecz zawierająca badaną substancję rozpylona jest z igły pod wysokim napię-ciem pod ciśnieniem atmosferycznym. W metodzie CI jony wytwarzane są na skutek zderzeń cząsteczek badanego związku chemicznego z jonami pierwotny-mi obecnypierwotny-mi w źródle jonów. Desorpcja laserowa MALDI stosuje jonizację la-serową z tak dobraną energią wiązki, by nie doprowadzać do fragmentacji cząsteczek. Wymienione metody mogą być stosowane w badaniach nad biopoli-merami lub polibiopoli-merami syntetycznymi. Techniki powodujące fragmentację cząsteczek to m.in.: jonizacja elektronami (ang. Electron Ionization — EI), ter-morozpylanie (ang. Termospray — TE), bombardowanie szybkimi atomami (ang. Fast-Atom Bombardment — FAB) lub desorpcja laserowa (ang. Laser De-sorption — LD). W technice EI jonizacja następuje w wyniku bombardowania strumieniem elektronów. W metodzie TE roztwór, który zawiera analizowaną próbkę oraz sól, jest pompowany stalową kapilarą i rozpylany w komorze próż-niowej z prędkością naddźwiękową. Metoda FAB polega na bombardowaniu cząsteczki obojętnymi atomami o wysokiej energii (zwykle 17 eV lub 70 eV).
W metodzie LD jonizacja następuje przez naświetlanie próbki silnym laserem, czyli wysokoenergetycznymi fotonami.
84 Stosowane metody pomiarowe
ród³o jonów Analizator
m z/ Detektor Komputer
Jonizacja
badanej próby Rozdzia³ jonów w zale¿noœci od
Rys. 18.Schemat ideowy spektrometru masowego
Różnorodność analizatorów mas nie ustępuje różnorodności technik joniza-cji. W analizatorze czasu przelotu (ang. Time of Flight — TOF) jony wprowa-dzane do analizatora są przyspieszane za pomocą impulsu elektrycznego i dry-fują przez komorę analizatora. Na końcu analizatora znajduje się detektor jonów połączony z urządzeniem rejestrującym czas od impulsu przyspieszającego do momentu uderzenia określonego jonu w detektor. W pomiarze m/z wykorzysta-no fakt, że ze wzrostem masy cząsteczkowej jonów wydłuża się ich czas przelo-tu. Sektorowy analizator magnetyczny (ang. Magnetic sector) korzysta ze zjawi-ska zmiany toru lotu jonów w polu magnetycznym. Tor lotu jonów jest zakrzywiany, a stopień jego zakrzywienia zależy od stosunku masy do ładunku (m/z) jonu oraz od parametrów pola magnetycznego. Przed analizatorem ma-gnetycznym w spektrometrach mas o podwójnym ogniskowaniu stosuje się ana-lizator elektryczny (ang. Electric sector). Jest to urządzenie, w którym zmiana toru lotu jonów następuje w polu elektrostatycznym pomiędzy dwoma równo-ległymi, zakrzywionymi płytami. Jony o jednakowej energii translacyjnej mają jednakowe tory lotu. W analizatorze cyklotronowego rezonansu jonów (ang. Ion Cyclotron Resonance — ICR) jony są pułapkowane w cyklotronie, gdzie wyko-nują ruch kołowy w polu magnetycznym. Widmo m/z powstaje w rezultacie działania na jony polem elektromagnetycznym o zmieniającej się częstotliwości.
Określenie masy jonu sprowadza się do wyznaczenia częstotliwości. Detektor rejestruje sygnał o danej częstotliwości charakterystycznej dla jonów o różnym m/z. Sygnał o danym natężeniu prądu w detektorze odpowiada konkretnej czę-stotliwości pola elektromagnetycznego, charakterystycznej dla danych jonów m/z. Odmianą analizatora ICR jest analizator cyklotronowego rezonansu jonów z fourierowską transformacją wyników (ang. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance — FT-ICR), w którym za pomocą złożonej fali elektromagnetycznej wzbudzane są jednocześnie wszystkie jony. Na płytach detektora rejestrowany jest sygnał zawierający wiele częstotliwości charakterystycznych dla jonów o różnym m/z. Sygnał ten jest przekształcany w widmo m/z za pomocą transfor-macji Fouriera. Analizatory ICR są jednocześnie detektorami jonów. W przy-padku pozostałych rozwiązań za analizatorem mas umieszczony jest detektor, mający za zadanie rejestrację jonów. Najprostszym i najstarszym detektorem jo-nów była płyta fotograficzna. Obecnie została ona zastąpiona detektorem kazującym informację w postaci sygnałów elektrycznych, które są dalej prze-twarzane w postać cyfrową i analizowane za pomocą komputera. Najczęściej stosuje się: puszkę Faradaya, powielacz elektronowy, detektor mikrokanalikowy lub fotopowielacz. Wyczerpujący opis różnych rodzajów spektrometrów zawie-rają monografie E. de H o f f m a n n a i in. (1998), R.A.W. J o h n s t o n e’a i M.E. R o s e’a (2001).
7. Technika spektrometrii mas 85
Oznaczenia izotopów uranu za pomocą spektrometru ICP MS
Oznaczenia izotopów uranu wykonane zostały z zastosowaniem spektrome-tru masowego ICP MS (ang. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
— spektrometr mas z plazmą wzbudzoną indukcyjnie) firmy Perkin — Elmer Sciex Elan 6000, znajdującego się w laboratoriach badawczych IAEA w Seibersdorf pod Wiedniem, gdzie autorka niniejszej pracy odbywała m.in.
staż naukowy (fot. 6). Przyrząd ten umożliwia pomiar większości pierwiastków układu okresowego do limitów detekcji sięgających ppt (10–9 g). Ponieważ w pracy posłużono się spektrometrem z plazmowym źródłem jonów, na jego przykładzie omówiona zostanie technika pomiarowa.
Analizowana próbka musi być wprowadzona do instrumentu w postaci roz-pylonej. W spektrometrze ICP MS zastosowany został rozpylacz o przepływie krzyżowym, w którym następuje rozpylenie próby za pomocą strumienia gazu (tu: argon) wprowadzonego pod kątem prostym do końca rurki doprowadzającej ciecz. Przepływający gaz przekształca cząsteczki cieczy w bardzo drobne kro-pelki tworzące aerozol. Krokro-pelki przechodzą przez komorę natryskową, która eliminuje te z nich, których rozmiar i szybkość nie są odpowiednie, by wpro-wadzić je do plazmy (fot. 7).
86 Stosowane metody pomiarowe
Fot. 6.Stanowisko pomiarowe ICP MS, Laboratorium Agencyjne IAEA, Seibersdorf, Austria (fot. IAEA)
Roztwór próbki w postaci aerozolu wprowadzony jest następnie do źródła jonów z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP) (fot. 7). Plazma płomienia palni-ka znajduje się w koncentrycznej rurze kwarcowej, otoczonej przez cewkę z prądem zmiennym o częstotliwości radiowej. Prąd zmienny generuje przez in-dukcję pole magnetyczne o liniach sił równoległych do rury, co powoduje ruch kołowy jonów w plazmie. Temperatura plazmy sięga 10 tys. °C, a zatem jest porównywalna z temperaturą panującą na powierzchni Słońca. Podczas podróży w plazmie cząsteczki aerozolu próbki są odparowane do postaci gazowej, a na-stępnie zostają pojedynczo zjonizowane z wydajnością około 100%. Jeżeli po-wstaną również jony wielokrotnie naładowane, to będą one obecne w widmie masowym.
Po opuszczeniu plazmy jony przechodzą do obszaru zwanego interfejsem, gdzie następuje obniżenie ciśnienia z atmosferycznego do wartości kilku torów.
Interfejs zbudowany jest z dwu dysz z niklu lub platyny w kształcie zbieraka, o szerokości otworów około 1 mm, umożliwiających wprowadzenie maksymal-nej liczby jonów do analizatora oraz utrzymanie w analizatorze wysokiej próżni w sąsiedztwie ciśnienia atmosferycznego.
Opuszczająca soczewkę skupiającą wąska wiązka cząstek przechodzi na-stępnie do analizatora, w którym jony zostają rozdzielone w zależności od ich mas. W komercyjnych instrumentach ICP MS firmy Perkin — Elmer dostępne są różne rodzaje separatorów mas, np. analizator czasu przelotu czy analizator przemiatający. Analizatory czasu przelotu przystosowane są do impulsowych źródeł jonów, czyli wymagają, by jony były wytwarzane w następujących po so-bie „pakietach”. Analizatory przemiatające (skanningowe) są wyposażone w magnes z zakrzywioną rurą analizatora, dzięki której następuje przepuszcze-nie w danym czasie tylko jonów o określonym stosunku m/z, lub też mają
syste-7. Technika spektrometrii mas 87
Fot. 7.Plazma i interfejs ICP MS (fot. IAEA)
my kwadrupolowe. W ten sposób wykrywają jony kolejno w danych odcinkach czasu. Powszechne są również urządzenia łączące w szereg wiele analizatorów, co umożliwia uzyskanie widma masowego, otrzymanego przez fragmentację dowolnego jonu wybranego w pierwszym analizatorze.
Jednym z częściej stosowanych rozwiązań w rutynowych pomiarach analizy organicznej jest system kwadrupolowy (Quadrupole). W używanym do pomia-rów spektrometrze Elan 6000 ICPMS analizator kwadrupolowy zbudowany jest z czterech prętów o długości 20 cm i średnicy 1 cm, mających przekrój hiper-boliczny. Jony dodatnie poruszające się wzdłuż osi z podlegają działaniu pola elektrycznego, składającego się z kwadrupolowego pola zmiennego nałożonego na pole stałe, dzięki przyłożeniu do prętów odpowiednich potencjałów +Φ i –Φ.
Potencjał Φ wyraża się wzorem±Φ = ±(U – V cos ωt), gdzie U oznacza napię-cie stałe, a V — amplitudę napięcia o częstotliwości radiowej. W kwadrupolu utrzymywana jest stała wartość prędkości kątowej ω = 2πf, natomiast U i V zmieniają się w granicach odpowiednio 500—2000 V i 0—3000 V. Separacja jonów następuje w zależności od stosunku m/z, co dla jonów jednokrotnie zjo-nizowanych oznacza separację w zależności od ich masy. Odpowiednio dobrane napięcia i częstość kątowa zezwalają na przejście przez kwadrupol tylko jednej wartości m/z, podczas gdy reszta jonów jest z wiązki eliminowana, przechodząc przez przestrzenie pomiędzy prętami kwadrupola. Napięcia w kwadrupolu zmieniane są w sposób skanujący, co w praktyce oznacza szybkość detekcji mas od m/z = 1 do m/z = 240 w czasie krótszym niż 0,1 s.
Analizatory charakteryzuje się na podstawie takich cech, jak:
1) zakres mas — określa graniczne możliwe do zmierzenia wartości m/z (górna granica mas),
2) przepuszczalność (transmisja) — stosunek liczby jonów docierających do detektora do liczby jonów wytworzonych w źródle,
3) zdolność rozdzielcza — zdolność rozróżnienia sygnałów pochodzących od dwóch jonów o sąsiadujących wartościach m/z.
Wybrane jony po wyjściu z analizatora mas muszą ulec detekcji i prze-kształceniu w użyteczny sygnał. Jest kilka różnych typów detektorów wzmac-niających słaby prąd jonowy do wartości mierzalnego sygnału. W przypadku spektrometru ICP MS jest nim powielacz elektronowy. Powielacze elektronowe zbudowane są w formie rogu z rur wykonanych ze szkła ołowiowego, mającego dobre właściwości emisji elektronów wtórnych i jednakowy opór elektryczny.
Między dwoma końcami powielacza przyłożone jest napięcie spadające stopnio-wo wzdłuż jego długości. Na skutek zderzeń jonów z powierzchnią detektora następuje emisja elektronów, które są z kolei przyspieszane w kierunku następ-nej elektrody, emitującej kolejną partię elektronów wtórnych. Sygnał wyjściowy podlega detekcji na kolektorze umieszczonym na końcu detektora. Wartość wzmocnienia wynosi od 106do 107. Zasada działania powielaczy elektronowych jest podobna do zasady działania fotopowielaczy, z tą różnicą, że zamiast
detek-88 Stosowane metody pomiarowe
cji światła emitowanego przez badany pierwiastek, mamy do czynienia z detek-cją samych jonów tych pierwiastków.
Komputer przeznaczony do celów spektrometrii mas rejestruje dane po-chodzące ze spektrometru (akwizycja danych), umożliwia obróbkę danych (wid-ma, chromatogramy), interpretację widm oraz sterowanie spektrometrem. Ta ostatnia funkcja wymaga zastosowania interfejsu, ze względu na konieczność wzajemnego przetwarzania informacji analogowych ze spektrometru i cyfro-wych z komputera. Funkcję interfejsu przyjmującego i przetwarzającego analo-gowe informacje ze spektrometru spełnia przetwornik analogowo-cyfrowy ADC (ang. Analog to Digital Converter), natomiast instrukcje operatora wysyłane z komputera do spektrometru przetwarza na sygnał analogowy przetwornik cy-frowo-analogowy DAC (ang. Digital to Analog Converter).
W badaniach promieniotwórczości naturalnej środowiska interesujące jest uzyskanie wartości aktywności promieniotwórczej badanego pierwiastka wyra-żonej w bekerelach [Bq]. Spektrometria masowa dostarcza wynik w postaci masy danego pierwiastka wyrażonej w gramach [g]. Związek pomiędzy tymi dwoma wielkościami przedstawia wzór:
(33)
A N
T N
T N
MA m
=λ = ln2 =ln2
1 2/ 1 2/
,
gdzie:
N — liczba atomów danego izotopu w próbie, NA — liczba Avogadro,
M — gramorównoważnik danego izotopu, m — masa pierwiastka w próbie.
Pierwiastki promieniotwórcze o długich czasach połowicznego zaniku T1/2 lub małej abundancji mogą być zmierzone z zastosowaniem tej techniki pro-ściej niż spektrometrią opartą na pomiarach ich aktywności.
7. Technika spektrometrii mas 89